Carbure de silicium Indice de réfraction

Le carbure de silicium est un semi-conducteur à large bande interdite de qualité supérieure qui présente des propriétés physiques et chimiques exceptionnelles, notamment des cristaux jaunes à bleu verdâtre ou noir bleuté avec iridescence.

Des mesures de l'indice de réfraction sur du SiC cubique épitaxié ont été soigneusement effectuées à l'aide d'une ellipsométrie spectroscopique à angle variable, montrant que les indices de réfraction ordinaires et extraordinaires augmentent avec la température.

L'indice de réfraction

L'indice de réfraction est un nombre sans dimension qui décrit la manière dont la lumière passe à travers le matériau. Par exemple, l'indice de réfraction du verre est de 1,5, celui du cristal de plomb de 1,77 et celui du diamant de 2,42. D'une manière générale, plus l'indice de réfraction d'un matériau est élevé, plus son aspect sera étincelant.

Le carbure de silicium possède un indice de réfraction exceptionnel qui rivalise avec celui du saphir et du rubis, et qui est deux fois plus élevé que celui du quartz. Il s'agit donc d'un matériau adapté à la fabrication de composants optiques de haute performance, tels que les guides d'ondes. Toutefois, son indice de réfraction peut varier en fonction de la température de dépôt ou du matériau du substrat sur lequel il est déposé. En outre, les impuretés ou les défauts présents dans son film peuvent influencer ses propriétés.

Les films de SiC de haute qualité peuvent être produits sur différents substrats, notamment le silicium (Si), le carbure de tungstène (WC) et le dioxyde de titane (TiO2). Cependant, il est essentiel de comprendre comment chaque substrat affecte les propriétés optiques des films de SiC qui y sont produits.

Les paramètres optiques des films minces de SiC dépendent de leur épaisseur ; pour mesurer ces paramètres optiques avec précision, les mesures issues d'une analyse ellipsométrique doivent être ajustées à des fonctions diélectriques simples à l'aide de formules d'ajustement aux données de mesure de fonctions diélectriques simples. Dans le cas du SiC, les mesures de l'indice de réfraction et de la biréfringence à plusieurs longueurs d'onde fournissent des résultats plus précis.

Les informations recueillies peuvent ensuite être utilisées pour construire un modèle des propriétés optiques des structures SiC sur SiC, les résultats étant comparés aux observations des spectres d'extinction astronomiques à des fins de comparaison et de validation des théories ; d'autres travaux expérimentaux peuvent également s'avérer nécessaires pour affiner ces théories.

La possibilité d'accorder l'indice de réfraction des films de carbure de silicium fait partie intégrante du développement de dispositifs photoniques à l'échelle de la puce. Sa valeur dépend du rapport entre la concentration de silicium et de carbone dans le film et peut varier en fonction des polymorphes alpha ou bêta du carbure de silicium, voire en fonction de l'épaisseur.

Coefficients d'extinction

Le carbure de silicium est un matériau cubique à haute transmission optique et à faible dispersion, qui présente d'excellentes propriétés de transmission optique et une capacité de pontage exceptionnelle, grâce à l'énergie de sa grande bande interdite. En raison de ses faibles niveaux de dispersion, le carbure de silicium constitue un choix de matériau intéressant pour les applications nécessitant une modélisation précise des propriétés de rayonnement, telles que les échangeurs de chaleur en milieu poreux. En outre, son coefficient d'extinction permet d'effectuer des calculs utiles de la conductivité thermique radiative.

Les propriétés optiques du carbure de silicium sont déterminées par sa structure cristalline et ses niveaux de dopage. Son indice de réfraction normal est de 2,6584 pour le plan cristallin 111 et de 3,0823 pour le plan cristallin 100. Les indices varient en fonction de la longueur d'onde ; l'indice de réfraction est donc proportionnel à la fréquence et contribue également au coefficient d'extinction dépendant de la fréquence.

Le carbure de silicium se distingue des matériaux pour surfaces optiques par son excellente capacité de pontage, sa faible dilatation thermique et ses propriétés de rigidité, ce qui en fait le matériau idéal pour les surfaces optiques telles que les miroirs de télescopes. Le carbure de silicium trouve également des applications dans les diodes électroluminescentes (DEL) et les détecteurs utilisés dans les appareils électroniques.

Le carbure de silicium se présente sous différentes formes, mais l'alpha est la variété la plus répandue. Il présente une structure cristalline hexagonale similaire à celle de la wurtzite et peut se former à des températures supérieures à 1 700 degrés Celsius. Un autre polymorphe, le bêta, présente une structure cristalline de zinc blende similaire à celle du diamant et se forme à des températures plus basses.

Des spectres d'extinction de grains de carbure de silicium alpha ont été mesurés en laboratoire et correspondent étroitement aux observations astronomiques. Malheureusement, ces mesures ne peuvent à elles seules fournir suffisamment d'informations pour permettre une interprétation précise des profils de caractéristiques de 11,5 mm sur les étoiles C, car les modèles de transfert radiatif nécessitent la connaissance de l'indice complexe de la matière circumstellaire sur l'ensemble du spectre électromagnétique. Pour résoudre ce problème et satisfaire l'exigence des modèles de transfert radiatif de connaître l'indice complexe du matériau circumstellaire à travers le spectre électromagnétique, ces auteurs présentent une fonction diélectrique complète calculée à partir de l'analyse de Kramers-Kronig qui confirme que la caractéristique présente dans ces spectres d'extinction est en effet liée à l'alpha-SiC.

Propriétés optiques

Les propriétés optiques du carbure de silicium sont déterminées par sa structure atomique, en particulier par la présence de deux défauts ponctuels spécifiques : les impuretés d'aluminium sur le sous-réseau de silicium AlSi et les impuretés d'azote sur le sous-réseau de carbone NC. Ces défauts ponctuels contribuent à leur tour à définir ses caractéristiques optiques. La faible dilatation thermique, la dureté et la rigidité élevées du carbure de silicium alpha en font un matériau de choix pour les miroirs de télescopes astronomiques. Il existe des spectres d'extinction de laboratoire qui reflètent fidèlement ce que l'on peut observer dans l'espace. Les spectres de laboratoire ne suffisent pas à caractériser pleinement les propriétés optiques des matériaux à toutes les fréquences électromagnétiques. Cet article présente une fonction diélectrique synthétique complète pour ce matériau, dérivée de l'analyse de Kramers-Kronig des données existantes et des spectres d'extinction expérimentaux. Cette fonction sert d'entrée aux modèles de transfert radiatif qui caractérisent les environnements de poussières spatiales.

Des échantillons de couches minces de SiC de différentes épaisseurs ont été fabriqués par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Leur structure et leur morphologie ont été examinées par divers moyens tels que la réflectivité des rayons X, la diffraction des rayons X sur poudre, la microscopie électronique à balayage et la microscopie à force atomique ; leurs constantes optiques (parties réelles/imaginaires de la fonction diélectrique complexe et de l'indice de réfraction), la détermination de la constante optique de la bande interdite ont toutes été réalisées par ellipsométrie spectroscopique.

Les études démontrent que l'indice de réfraction du SiC diminue à mesure que son épaisseur augmente, comme prévu. Les parties réelles et imaginaires de sa fonction diélectrique complexe, ainsi que les coefficients d'absorption, dépendent à la fois de la longueur d'onde du rayonnement incident et de la direction de polarisation ; ces résultats confirment les prévisions selon lesquelles sa structure en couches a une influence positive sur les constantes optiques qui améliorent la transmission dans un spectre électromagnétique élargi.

Les effets toxiques du carbure de silicium proviennent en grande partie de sa forte interaction avec les molécules d'oxygène et d'eau, entraînant une surexposition au chlorure d'hydrogène gazeux qui peut provoquer une détresse respiratoire, une bronchoconstriction et une accumulation de liquide dans les poumons, ainsi que des crampes abdominales, des nausées et des vomissements. En outre, l'exposition à ses vapeurs peut modifier l'évolution de la tuberculose par inhalation, entraînant une fibrose étendue et une progression de la maladie.

Matériaux

L'indice de réfraction mesure la capacité des matériaux à courber les ondes lumineuses. Chaque matériau a un indice différent : l'eau a un indice de réfraction de 1,5 ; le cristal de plomb a un indice plus élevé ; le diamant a un indice supérieur à 2,42, ce qui explique son aspect magnifique lorsqu'il est exposé directement à la lumière du soleil. Le carbure de silicium a un indice de réfraction de 2,5, ce qui en fait un excellent matériau dur et résistant à l'usure, avec d'excellentes propriétés électriques qui permettent de réaliser des films minces à partir de ce matériau, utilisé en électronique, notamment dans les DEL et les premiers détecteurs radio, ainsi qu'en électroluminescence avec une efficacité de 10-2 à 5600 A (données sur les propriétés techniques).

La conductivité thermique et la rigidité élevées du carbure de silicium en font l'un des premiers matériaux utilisés dans les miroirs de télescopes, notamment dans les observatoires spatiaux Herschel et Gaia, où plusieurs grands télescopes sont équipés de miroirs en carbure de silicium. En outre, son faible coefficient de dilatation thermique en fait un excellent choix pour les sous-systèmes des engins spatiaux.

Contrairement au silicium qui est sensible à l'oxydation à l'air à des températures élevées, le carbure de silicium est très résistant. En outre, c'est le plus dur de tous les silicates. On le trouve le plus souvent sous forme de matériau polycristallin, mais des cristaux uniques peuvent également être formés par le procédé Lely avec de la poudre de silice sublimée ; le carbure de silicium cubique peut également être cultivé par dépôt chimique en phase vapeur, à des températures de croissance plus élevées.

Le carbure de silicium lié par réaction est imperméable à l'oxygène, ce qui en fait un choix rentable pour les applications nécessitant une résistance à la corrosion à des températures élevées.

Les fibres de carbure de silicium CVD sont créées par la superposition d'un matériau central riche en carbone avec des manchons de carbone et peuvent être renforcées par divers matériaux, dont le tungstène. Leur résistance à température ambiante est en moyenne de 4GPa ; leurs résistances longitudinale et radiale varient, la résistance longitudinale étant généralement supérieure. Cependant, avec le temps, ces fibres s'affaiblissent, probablement en raison de réactions interfaciales entre les composants de tungstène du noyau et du manteau, ainsi que de la croissance des grains dans le matériau du noyau en carbure de silicium.